composites con reciclados para la mejora del … · en el capítulo ii se exponen los fundamentos...

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA

E S C U E L A P O L I T E C N I C A S U P E R I O R D E G A N D I A

M a s t e r e n I n g e n i e r í a A c ú s t i c a

“COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO

ACÚSTICO”

TESIS DE MASTER Autor: Miguel Iglesias Ortiz-Quintana Director/es: D. Jesús Alba Fernández Romina Mª Del Rey Tormos GANDIA, 2010

Autor: Miguel Iglesias Ortiz-Quintana email: [email protected] Fecha de entrega: 03/12/2010

RESUMEN Los materiales tipo composite, son una fuente de grandes avances en nuestros días, a su vez pueden

llegar a ser una gran herramienta para mejorar el medio ambiente, debido a que gracias a ellos se

pueden buscar maneras de reciclar desechos derivados de las cadenas de producción de diferentes

tipos de industrias como pueden ser la industria plástica, textil o maderera, consiguiendo nuevos

materiales con mejores comportamientos y características acústicas, a la vez que se disminuye el

coste económico de las materias primas debido a la procedencia de las mismas. El ahorro aún es

mayor si se consigue la transformación de un residuo industrial en un material útil para la sociedad

y a su vez se elimina el gasto energético y económico que conlleva la destrucción de dichos

residuos y los perjuicios que ello conlleva sobre el medio ambiente.

Toda la investigación se desarrolla para estudiar el comportamiento acústico de tres familias de

materiales desde diferentes puntos de vista; como elementos aislantes acústicos de una sola capa,

como elementos aislantes acústicos de doble sola capa y como combinación de absorbente acústico

(panel perforado) - aislante acústico.

ABSTRACT Composite materials are a source of great advances in our days, in turn they can become a great

tool for improving the environment, cause with them we can find ways to recycle wastes from the

production lines of different industries types such as plastic, textile and wood, obtaining new

materials with improved acoustical behaviour, while decreasing the economic costs of materials

due to the origin of them. The savings are even greater if you get the transformation of industrial

waste into useful materials for society and in turn eliminate the economic and energy expenditure

leading who involve the destruction of such wastes and the damage implied to the environment.

All research is developed to study the acoustical behavior of three materials families from

different points of view; as elements of a single acoustic insulating layer, as insulating of a double

layer acoustic element and as a combination of acoustic absorber (pegboard) - acoustic insulation.

_____________________________________________________________

Palabras clave: Aislamiento acústico, absorbente acústico, aislante acústico, fibra de vidrio, fibra de poliéster, polipropileno, composite, reciclado.

Keywords: Sound insulation, sound absorption, sound insulation, glass fiber, polyester fiber, polypropylene, composite, recycled.

Autor: Miguel Iglesias Ortiz-Quintana email: [email protected] Fecha de entrega: 03/12/2010

AGRADECIMIENTOS En esta memoria de Tesina final de master quiero agradecer el esfuerzo, comprensión y apoyo que

he tenido por parte de todos los compañeros implicados durante las diferentes fases del proceso de

investigación.

Quiero agradecer en primer lugar a Jesús Alba, mi director de Tesis, el haberme introducido en

el campo de los materiales reciclados para su uso en el mundo de la Acústica, el haberme

transmitidos tantos conocimientos teóricos en dicha materia y el haberme guiado en los momentos

en los que no veía el final del camino.

A Romina Mª Del Rey Tormos, por su labor realizando las mediciones en laboratorio con

rigurosa transparencia y buenas prácticas.

Al grupo de investigación de Girona por la fabricación de las diferentes muestras sin las cuales

no habría sido posible este trabajo.

Al Departamento de Física Aplicada, por estar siempre dispuestos a resolver tanto dudas

docentes como guiarte en el mundo laboral.

A mis compañeros de la Escuela Politécnica Superior de Gandia, darles las gracias por haber

creado esa gran familia que somos.

Y por último y no menos importante a mi familia por todo el apoyo y confianza prestado

durante este tiempo.

ÍNDICE I.- OBJETO Y ANTECEDENTES.................................................................................... 1

I.1.- INTRODUCCIÓN................................................................................................ 1 I.2.- OBJETIVOS........................................................................................................ 3 I.3.- ESTRUCTURA DE LA TESINA.......................................................................... 4

II.- INTRODUCCIÓN TEÓRICA...................................................................................... 5 II.1.- TÉCNICAS......................................................................................................... 5 II.2.- MODELO DE SIMULACIÓN............................................................................ 17

II.2.1.- MODELO DE OKURA & SAITO PARA ATENUACIÓN EN PAREDES MÚLTIPLES, COINCIDENCIA ALEATORIA. ........................................ 17

III.- DESARROLLO....................................................................................................... 22 III.1.- FÍSICA ACÚSTICA: ABSORCIÓN, IMPEDANCIA Y RESISTENCIA [1][2].... 22 III.2.- FÍSICA MECÁNICA: MODULO DE YOUNG, POISSON ................................ 26 III.3.- AISLAMIENTO ACÚSTICO ............................................................................ 27 III.4.- REGRESIÓN .................................................................................................. 37

IV.- CONCLUSIONES .................................................................................................. 38 V.- FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN .............................................................. 40 REFERENCIAS ............................................................................................................ 41 ANEXO I ....................................................................................................................... 43 RESUMEN...................................................................................................................... 3 ABSTRACT..................................................................................................................... 3 AGRADECIMIENTOS..................................................................................................... 5

COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO

1

I.- OBJETO Y ANTECEDENTES

I.1.- INTRODUCCIÓN El aislamiento acústico es uno de los grandes problemas que en la actualidad se plantean en la

edificación. Las fuentes de ruido son cada vez más numerosas y generan niveles mayores de

ruido tanto en el interior como en el exterior de las edificaciones. El número de estas fuentes de

ruido en el interior de los edificios se ha incrementado debido a la aparición de nuevas

tecnologías como pueden ser: los electrodomésticos tipo lavavajillas, lavadoras, sistemas de

extracción de humos. Algunos de los cuales directamente disponen de salidas al exterior de las

viviendas, lo cual contribuye a aumentar la contaminación acústica hacia los ambientes

exteriores de las edificaciones. A la par, cada vez son más utilizados los equipos de

reproducción sonora tipo mini cadenas musicales y televisores, los cuales han aumentado en

tamaño, calidad y en consecuencia en potencia acústica emitida, además no debemos olvidar los

sistemas de aire acondicionado tan comúnmente utilizados en nuestros días, los cuales disponen

de maquinaria ruidosa ubicada en el exterior de las edificaciones, etc.

Al mismo tiempo que han ido evolucionando e incrementándose las fuentes de ruido en el

interior y exterior de las edificaciones, se han aumentado las exigencias de confort del

ciudadano, mediante el desarrollo legislativo que se ha llevado a cabo en los últimos años, con

la publicación del Reglamento de la Ley del Ruido y el Documento Básico de Protección Frente

al Ruido del Código Técnico de la Edificación. Esta normativa trata de reducir el nivel máximo

de inmisión en las edificaciones, para de esta manera, reducir el efecto del ruido en la salud de

las personas. Dichas normativas han evolucionado y han incorporado elementos o herramientas

que permiten distinguir entre diferentes tipos de recintos, para dotar de un mayor nivel de

protección a aquellos utilizados como estancias de descanso o de trabajo, por dicho motivo se

deben diseñar diferentes tipos de soluciones que permitan optimizar el confort según su uso.

El objetivo general de este trabajo, que se presenta para su evaluación como tesina final de

master, es el estudio de la mejora del aislamiento acústico a ruido aéreo de nuevos materiales

tipo Composite, mediante la incorporación de tres tipos de fibras textiles; fibra de vidrio, fibra

de poliéster y polipropileno, sobre un elemento base compuesto por plástico, consiguiendo un

refuerzo del material y una mejora en su elasticidad.

A su vez, se realizaron estudios para determinar la mejora que se conseguía utilizando un

elemento compatibilizante que optimizara la unión y la respuesta mecánica entre el elemento

base y las fibras.

2

Dada la sensibilización de la sociedad actual, se encamina el trabajo en el estudio de la

reutilización de materiales residuales, derivados de los diferentes procesos de producción

industrial, de manera que los residuos se reciclen para la obtención de otros materiales que

puedan retornar a los mercados, favoreciendo con ello la reutilización de estos residuos y la

eliminación del gasto energético y contaminación medioambiental que conllevaría el proceso de

eliminación de los mismos.

El proceso que tratará este trabajo es el derivado de la producción de plásticos y similares, el

cual trata de reciclar una serie desechos procedentes de la elaboración de fibras textiles, para la

elaboración de un material tipo Placa de Yeso Laminado, el cual consiga mejorar las

prestaciones aislantes acústicas de los materiales que se encuentran actualmente en el mercado.

Sin olvidar la importancia que tiene el mantener una solución tipo autoportante por la

optimización de las superficies útiles a la hora de llevar a cabo una construcción o reforma y el

ahorro económico que este hecho conlleva.


3

I.2.- OBJETIVOS El objetivo general de este trabajo es comprobar la mejora obtenida mediante un material tipo

capa impermeabilizante para la utilización como aislante acústico para la edificación, ya sea

residencial, industrial o de cualquier otro tipo, de manera que, a un elemento de base plástica se

le inserten en su interior una serie de fibras textiles, que doten al material base de una mayor

elasticidad y con ello se obtenga, previsiblemente, una mejora de su comportamiento como

aislante acústico.

El trabajo se divide en varios objetivos:

Primero, la caracterización de las tres familias de materiales. Ello conlleva la obtención de

los parámetros más relevantes tanto acústicos como mecánico-elásticos.

Segundo, la determinación del uso más apropiado de estos materiales. Determinar si su

comportamiento es absorbente acústico o impermeabilizante (aislante acústico).

Tercero, determinar el espesor óptimo para su utilización y la capacidad aislante acústica

que tendrá el material en función de diferentes configuraciones comúnmente utilizadas por los

sistemas autoportantes existentes en el mercado.

Cuarto, comparar los resultados obtenidos frente al elemento más estandarizado del

mercado: el sistema autoportante formado a base de Placa de Yeso Laminado.

Quinto, búsqueda de otros posibles usos, bien sea en edificación como en otros campos o

usos.

4

I.3.- ESTRUCTURA DE LA TESINA Para conseguir los anteriores objetivos, se ha optado por estructurar este trabajo en los

siguientes apartados:

En el capítulo I se relatan los objetivos y antecedentes de este trabajo.

En el capítulo II se exponen los fundamentos teóricos necesarios para la comprensión de las

aportaciones realizadas en la memoria. En la sección II.1, se presenta brevemente la técnica de

medición utilizada para la determinación del los parámetros tanto acústicos como mecánico-

elásticos de las tres familias de materiales. En la sección II.2, se expone el modelo de

simulación seguido para la determinación del índice de absorción acústica de los elementos

estudiados.

En el capítulo III se desarrollan los trabajos realizados sobre las familias de materiales para

la determinación de su utilización como elemento aislante acústico. En la sección III.1, se

realiza un estudio desde el punto de vista de los parámetros acústicos obtenidos y se determina

la utilización más óptima de los mismos. En la sección III.2, se realiza el estudio desde el punto

de vista de los parámetros mecánico-elásticos. En la sección III.3, se definen los parámetros y

los modelos numéricos utilizados para la determinación del aislamiento acústico de los

diferentes materiales, según el tipo de configuración utilizada y la comparativa respecto a las

mismas configuraciones de sistema autoportante con el elemento Placa de Yeso Laminado. En

la sección III.4, se presentan los datos obtenidos en forma gráfica, de manera que permitan

obtener una regresión de la cual obtener una ecuación que determine el comportamiento

acústico de las familias de materiales en función de los porcentajes de fibras incorporados en

ellas.

En el capítulo IV, se resumen las conclusiones obtenidas en este trabajo.

En el capítulo V, se determinan posibles futuras líneas de investigación en el tema.


5

II.- INTRODUCCIÓN TEÓRICA

II.1.- TÉCNICAS

- Tubo de Kundt [1][2]

Este método de ensayo se aplica en la determinación del coeficiente de absorción acústica para

incidencia normal de absorbentes acústicos mediante un tubo de impedancia, dos posiciones de

micrófono y un sistema digital de análisis de señal. Puede aplicarse también para la

determinación de la impedancia acústica superficial o de la admitancia acústica superficial de

los materiales. Puesto que los cocientes de impedancia de un material absorbente acústico se

relacionan con sus propiedades físicas, tales como resistencia al flujo de aire, porosidad,

elasticidad y densidad, las mediciones descritas en este método de ensayo son útiles en

investigación básica y en el desarrollo de productos.

En este método de ensayo se generan ondas planas en el tubo mediante una fuente de ruido,

y la descomposición del campo interferencial se realiza mediante la medición de la presión

acústica en dos posiciones fijas usando micrófonos montados en la pared o mediante un

micrófono interior móvil, seguido del cálculo de la función de transferencia acústica compleja,

la absorción a incidencia normal y los cocientes de la impedancia del material.

El método del tubo de impedancia se limita a estudios paramétricos en incidencia normal

pero necesita muestras de la muestra de estudio que tengan el mismo tamaño que la sección

transversal del tubo de impedancia.

El tubo de impedancia debe cumplir con las siguientes especificaciones:

- Su estructura debe ser rígida, lisa y no porosa, para que el sonido no se escape por

ninguna fisura o agujero.

- Las paredes deben ser pesadas y macizas, ya que no debe vibrar bajo ninguna

circunstancia.

- Debe ser recto y tener una sección transversal recta y constante, asimismo tiene que ser

lo suficientemente largo para que se generen ondas planas, ya que hasta una cierta

distancia del altavoz no hay ondas planas.

- Tendrá el porta muestras en un extremo y el altavoz en el otro.

- Debe disponer de dos o más ventanas en su pared, en las que se colocan los micrófonos

necesarios, si estos no son colocados, esas ventanas deben estar bien tapadas para que

no haya fugas de sonido.

6

Los micrófonos deben cumplir con las siguientes especificaciones:

‐ Si se utilizan varios micrófonos para realizar las mediciones, estos deben ser del mismo

tipo, exactamente iguales.

‐ Si los micrófonos son de pared, como lo es en nuestro caso, la normativa recomienda

que sean de presión.

‐ Para que la medición sea adecuada, los micrófonos deben estar sellados con los orificios

de montaje, y a su vez estar sellada la rejilla de éstos a su cápsula.

‐ El diafragma de los micros deberá coincidir justo con la superficie interior.

Fig. 1: Norma ISO 10534-2

Fig. 2: Montaje en laboratorio

El porta muestras debe cumplir con las siguientes especificaciones:

‐ Puede ser parte del tubo o ser un elemento separado, por lo que tiene que satisfacer

características al igual que el tubo.


7

‐ Si es separado debe tener la forma y dimensiones adecuadas al tubo siendo la precisión

de éste de ±0,2%. Además tiene que estar unido herméticamente, sin inserción de

juntas elásticas.

‐ La parte posterior deberá ser rígida y estar fijada fuertemente, para que no se produzca

vibración ni haya transmisión del aire.

‐ Hay que tener en cuenta también su longitud, ya que se debe guardar una distancia entre

los micros y la muestra, y a veces es necesario que hayan espacios de aire.

‐ Se recomienda, si es separado, que se pueda acceder a la muestra desde sus dos lados,

para que las caras de la muestra se encuentren en la posición adecuada y muestren

planitud.

Fig. 3: porta muestras separado utilizado en laboratorio.

El altavoz debe cumplir con las siguientes especificaciones:

‐ Estará situado en uno de los extremos del tubo, aunque se encontrará en una caja aislada

para evitar la vibración de éste y la transmisión del aire.

‐ La superficie de la membrana del altavoz debe cubrir al menos 2/3 partes del área de la

sección transversal del tubo, para que éste emita correctamente al tubo.

8

Fig. 4: Imagen altavoz y caja envolvente en laboratorio.

El generador y procesador de señales, deben cumplir con las siguientes especificaciones:

‐ Estos instrumentos son necesarios para poder producir la señal y obtener los resultados.

Para la realización de este proyecto se ha utilizado el symphonie que realiza ambas

funciones.

‐ El generador debe emitir una señal estacionaria con densidad espectral plana.

‐ El procesador debe medir presión acústica en dos posiciones de micro y tener la opción

de calcular la función de transferencia.

La muestra de ensayo se monta en uno de los extremos de un tubo de impedancia recto,

rígido, liso y estanco. Se generan ondas planas en el tubo mediante una fuente sonora (aleatoria,

de secuencia pseudo-aleatoria o de trinos), y se miden las presiones acústicas en dos posiciones

cercanas a la muestra. Se determina la función de transferencia acústica compleja de las señales

en los dos micrófonos, que se usa para calcular el coeficiente de reflexión complejo para

incidencia normal, el coeficiente de absorción para incidencia normal, y la impedancia

normalizada del material en ensayo.

Las magnitudes se determinan como funciones de la frecuencia, con una resolución en

frecuencia condicionada por la frecuencia de muestreo y la longitud de la señal del sistema

digital de análisis de frecuencia usado para las mediciones.

El rango de frecuencia útil depende del ancho del tubo y de la distancia entre las dos

posiciones microfónicas. Se puede obtener un rango de frecuencia extendido combinando las

mediciones con diferentes anchos y espaciados.

Las mediciones pueden realizarse usando una de las dos técnicas:

1: método de los dos micrófonos (usando dos micrófonos en posiciones fijas);


9

2: método de un micrófono (usando un micrófono sucesivamente en dos posiciones).

Técnica 1: Necesita un procedimiento de corrección previo o simultáneo al ensayo para

minimizar las diferencias en las características de amplitud y fase entre los dos micrófonos; no

obstante combina rapidez, gran precisión y sencillez de implementación. Se recomiendo esta

técnica para fines generales.

Técnica 2: Requiere generación y procesado particulares y puede implicar más tiempo, no

obstante elimina las diferencias de fase entre los micrófonos y permite un posicionado óptimo a

cualquier frecuencia.

En este caso se han realizado las mediciones en laboratorio siguiendo la técnica 1. A

continuación se detallan los cálculos previos al montaje y medición.

La normativa especifica la distancia que deben guardar entre si mismos los micrófonos. Esta

dependerá de la frecuencia de trabajo más alta del tubo, que a su vez depende del diámetro

interior d y de la velocidad del sonido c0.

A continuación se muestran las fórmulas para obtener estas distancias.

La condición para fu es:

058,0;58,0 cdfd uu <⋅< λ (II.1_1)

Donde:

fu (Hz): es la frecuencia de trabajo más alta del tubo, es importante su elección para que

así no se produzcan modos de propagación de ondas no planas.

d (m): es el diámetro interior del tubo.

Una vez se tiene fu, es hora de sacar la distancia entre micros (s), en metros, de la siguiente

manera:

045,0 csfu <⋅ (II.1_2)

Otra de las distancias que se deben calcular será la distancia que existe entre el micro más

cercano a la muestra y esta. Esta distancia dependerá básicamente del tipo de muestra a ensayar:

- si no hay elementos de estructura: 1/2diámetro o 1/2dimensión lateral máxima

- si la estructura es semilateral: 1 diámetro o 1 dimensión lateral máxima

- si es fuertemente asimétrica: 2diámetros o 2 veces la dimensión lateral máxima

La distancia entre el altavoz y los micros, como se ha nombrado antes, tiene que ser solo lo

suficiente larga para que las ondas que lleguen a los micros sean planas.

Cumpliendo las distancias el montaje se verá de la siguiente manera:

10

Fig. 5: Método de montaje (Técnica 1)

A continuación se muestra un diagrama explicativo de la conexión realizada con los

instrumentos nombrados anteriormente:

Fig. 6: diagrama de conexionado (Norma ISO 10534-2)

Comprobaciones previas según anexo A de la norma 10534-2:

Estas mediciones y ensayos preliminares se realizan para eliminar fuentes de error y poder

satisfacer las exigencias mínimas.

‐ El altavoz debe encenderse diez minutos antes de empezar a medir para que las

ondas se estabilicen.

‐ Los micrófonos deben calibrarse al inicio, se debe repetir varias veces su calibración

si se van a realizar varias mediciones, para determinar su centro acústico y realizar

las correspondientes correcciones por atenuación.

‐ Se debe tomar registro de la temperatura a la que está el tubo para asegurar

constancia mientras se realizan las medidas.


11

‐ Durante el montaje se debe cuidar la colocación de la muestra, no debe estar

abombada y su cara anterior debe estar en el plano normal al eje del tubo.

‐ Se deben utilizar como mínimo dos muestras diferentes de cada material que se

desee ensayar o un número mayor si la muestra no es uniforme

‐ Todos los ensayos deben realizarse bajo las mismas condiciones.

En las mediciones llevadas a cabo para esta tesina se han realizado los ensayo con tres

muestras para asegurar óptimos resultados, o en conclusión, tenga menor probabilidad de error.

‐ Al comienzo de las mediciones se debe especificar el plano de referencia, que

normalmente debe coincidir con la superficie de la muestra.

‐ Determinar la velocidad del sonido, la longitud de onda y la impedancia

característica.

‐ Se debe especificar la amplitud de la señal de entrada, que debe elegirse por lo

menos 10dB mayor que el ruido de fondo.

‐ Se debe elegir el número de promediados necesario, el cual dependerá del material

que se este midiendo y de la precisión requerida para el cálculo de la función de

transferencia.

‐ Uno de los puntos más importantes es la corrección por desajuste entre los

micrófonos, el cual se debe tener en cuenta durante todo el ensayo.

Al utilizar el método de los dos micrófonos (técnica 1) para el ensayo, se puede usar alguno

de los siguientes procedimientos:

1.- Medición repetida con los micrófonos intercambiados:

Consistente en el intercambio de los canales para cada medida, es decir, para cada

muestra se realizan dos medidas, una con los micrófonos en una posición y otra

intercambiándolos. Así obtendremos dos funciones de transferencia H12 y H21.

NOTA: Al intercambiar los micrófonos, estos no deben ser desconectados ni del

preamplificador ni del analizador de señal.

Leyenda:

1 Micrófono A

2 Micrófono B

3 Muestra en ensayo

4 Posición 1

5 Posición 2

12

Leyenda:

1 Micrófono B

2 Micrófono A

3 Muestra en ensayo

4 Posición 1

5 Posición 2

Fig. 7 y 8: Montaje micrófonos normal e intercambiados (Norma ISO 10534-2)

Factor de calibración predeterminado:

Este procedimiento emplea una muestra de calibración especial y su corrección es válida

para todas las mediciones que se realicen posteriormente.

Este factor de calibración Hc se calculará una vez se hayan medido las funciones de

transferencia H12 y H21 con la siguiente ecuación:

( ) cjcc eHHHH φ== 2

12112 / (II.1_3)

Una vez realizada la medición de Hc se colocan los micrófonos en la primera posición y se

medirá la función de transferencia para las muestras de ensayo:

H∧

12 = H∧

12 e jφ∧

(II.1_4)

Donde

12

∧

H es la función de transferencia sin corregir; ∧

φ es el ángulo de fase sin corregir

Finalmente para corregir el desajuste entre los micrófonos:

H12 = H12 e jφ =H∧

12

Hc

(II.1_5)

A partir de las funciones de transferencias medidas, se obtienen todas las variables

necesarias a partir de las siguientes fórmulas.

Para determinar el coeficiente de reflexión a incidencia normal se utilizará:

r = (| r | e jφ r )rr + jri =H12 − H1

HR −H12

e2 jk0x1 (II.1_6)


13

Donde:

rr es la componente real;

ri es la componente imaginaria;

x1 es la distancia entre la muestra y la posición última del micrófono;

Φr es el ángulo de fase del coeficiente de reflexión a incidencia normal;

H1 es la función de transferencia para la onda incidente sola;

HR es la función de transferencia para la onda reflejada sola;

k0 es el número de onda de campo libre.

El equipo de medición dará como resultado los valores de H’12 y H’21 y partir de ellos se

calcula H12 siguiendo los cálculos explicados, y las demás incógnitas a través de las fórmulas

ofrecidas en el anexo D de esta norma. Las cuales se detallan a continuación:

Función de transferencia para la onda incidente, H1:

H1 = e− jk0S (II.1_7)

Función de transferencia para la onda incidente reflejada, HR:

HR = e jk0S (II.1_8)

En ambos casos S es la separación que existe entre los dos micrófonos, nombrada

anteriormente.

Con el coeficiente de reflexión ya se puede conseguir el coeficiente de absorción acústica, y

a partir de este la impedancia o admitancia acústica específica. Para ello se utilizarán las

siguientes fórmulas:

Coeficiente de absorción acústica:

α =1− | r |2=1− rr2 − ri

2 (II.1_9)

Impedancia acústica específica:

Z /ρc0 = R /ρc0 + jX /ρc0 = (1+ r) /(1− r) (II.1_10)

Donde

R es la componente real;

X es la componente imaginaria;

ρc0 es la impedancia característica.

Admitancia acústica específica:

Gρc0 = gρc0 − jbρc0 = ρc0 /Z (II.1_11)

14

Donde

g es la componente real;

b es la componente imaginaria.

- Mecánico-elásticos

Se prepararon materiales compuestos de origen plástico reforzados al 20, 30, 40 y 50% en peso

del refuerzo, sin y con agente de acoplamiento. Para evaluar estas alternativas se han medido las

propiedades a tracción, flexión e impacto y se ha podido constatar que, mientras que la

resistencia a tracción presenta valores similares para ambos tipos de refuerzo, los módulos de

Young de los materiales reforzados con fibras recicladas textiles son un 10-30% superiores a los

del material sin refuerzo.

Como material de refuerzo, en este trabajo se utilizaron fibras de vidrio, fibras de poliéster y

polipropileno.

0

20

40

60

80

0 10 20 30 40 50 60

% reinforcement

σ t (M

Pa)

GFMP

Gráfica 1: Comparativa de resistencia máxima a la tracción entre el elemento reforzado con fibra de

vidrio (GF) y reforzado por fibra de poliéster (MP)

Como agente de acoplamiento y promotor de la adhesión entre la matriz polimérica y el

refuerzo celulósico se utilizó un polipropileno modificado con anhídrido maleico (MAPP).

Se prepararon materiales compuestos reforzados con 20, 30, 40 y 50% en peso. Para cada

cantidad de refuerzo se prepararon materiales sin acoplar y acoplados con un 2, 4, 6 y 8% en

peso de MAPP respecto al contenido de fibras. La mezcla de los componentes de los materiales

compuestos se realizó en una mezcladora Brabender. El proceso de mezcla tuvo lugar a 180ºC,

80 rpm de velocidad de giro de las paletas, durante un tiempo total de 10 minutos.

Seguidamente, los materiales compuestos obtenidos se pelletizaron en un molino de cuchillas

suministrado por AGRIMSA, equipado con una rejilla de 10 mm de paso de luz. Finalmente, la

granza se secó a 80ºC durante 2 horas en una estufa antes de alimentar una máquina de moldeo

por inyección de termoplásticos Mateu & Solé de 35 toneladas. El proceso de inyección se llevó


15

a cabo con un perfil de temperaturas desde la zona de carga hasta la boquilla de

175ºC/175ºC/190ºC respectivamente. La presión de inyección utilizada fue de 120 kg/cm2

mientras que la presión de mantenimiento fue de 25 kg/cm2. De este modo, se obtuvieron

probetas estandarizadas según la norma ASTM D3641 [3] para los ensayos mecánicos de

tracción, flexión e impacto. Antes de los ensayos, las muestras se acondicionaron de acuerdo

con la norma ASTM D618 [4].

020406080

100120

0 5 10% MAPP

σ t (M

Pa) 20%GF

30%GF

40%GF

10%GF

Gráfica 2: resistencia máxima a la tracción de la familia de materiales reforzados con fibras de vidrio con

agente compatibilizante

Los ensayos a tracción y flexión se realizaron con una máquina universal de ensayos

mecánicos INSTRON 1122. Las mediciones se tomaron siguiendo las normas ISO 527 [5] para

el ensayo de tracción e ISO 178 para el correspondiente ensayo de flexión. Se determinaron

también las propiedades a impacto en probetas sin entalla utilizando un péndulo Charpy

equipado con un martillo de 2.074 kg de peso y una longitud de 382 mm; para este último

ensayo se siguió la norma ISO 178 [6].

3,3

4,44,9

6,3

4,5

5,9

7,4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

20 30 40 50% reinforcement

E t (G

Pa)

PMFV

Gráfica 3: Modulo de Young según % de refuerzo y tipo de familia

16

El tamaño promedio de las fibras en el material compuesto, se midió a partir de fibras

recuperadas del material compuesto. La extracción se efectuó mediante un soxhlet en xileno. La

determinación de los diámetros promedio de las fibras y filamentos fue llevada a cabo a través

de microscopia óptica y las imágenes obtenidas fueron tratadas mediante el programa Sigma

Scan Pro 5. La longitud de las mismas determinó en un analizador Kajaani FS-100 (Kajaani

Electronics Ltd, Finlandia). El peso específico de los materiales compuestos se determinó

mediante picnometría.


17

II.2.- MODELO DE SIMULACIÓN

II.2.1.- MODELO DE OKURA & SAITO PARA ATENUACIÓN EN PAREDES MÚLTIPLES, COINCIDENCIA ALEATORIA [7]. En este modelo se desarrolla un método de transferencia de impedancias. Se obtienen las

expresiones del índice de debilitamiento para paredes múltiples construidas con varias

combinaciones de capas impermeables, cámaras de aire y materiales absorbentes acústicos.

El modelo considera una estructura general de paredes múltiples infinitas, tal y como se

observa en la figura 11. Dicha estructura está construida con N elementos y cada uno de estos

elementos puede ser una capa impermeable, una cámara de aire o un material absorbente

acústico. Se denomina pi a la onda de presión incidente y pr a la onda de presión reflejada. Se

supone que una onda plana incide sobre la cara izquierda del elemento N-ésimo con un ángulo

de incidencia q. La onda que incide por la parte izquierda continuará propagándose a través de

la estructura y radiará por la cara derecha del primer elemento como una onda plana de presión

pt hacia un campo libre con un ángulo de transmisión qt.

En el análisis se numera con el subíndice i=1, 2,..., n cada uno de los parámetros físicos del i-

ésimo elemento, y se utiliza un segundo subíndice para indicar un parámetro de la cara

izquierda del elemento (un 2) y la cara derecha (un 1), tal y como se aprecia en la figura 11.

Fig. 11: Modelo multicapa

El cociente entre la presión en la superficie de incidencia pN2 y la presión incidente pi es la

siguiente:

pN 2

pi

=pi + pr

pi

=2ZN 2

ZN 2 +ρc

cosθ

(II.2.1_1)

18

Donde ZN2 es la impedancia acústica normal vista desde la cara izquierda de la superficie del

enésimo elemento y ρc

cosθ es la impedancia acústica normal en campo libre de una superficie

con incidencia oblicua, la cual es igual a la relación de impedancias del primer elemento Z11

como se puede ver en la figura 11. Usando las condiciones de presión en cada superficie,

podemos escribir la expresión del coeficiente de transmisión para incidencia oblicua, de la cual

obtener, mediante la integración adecuada, el índice de debilitamiento en incidencia aleatoria:

τ θ( ) = pt

pi

2

=p11

pi

2

=pN 2

pi

2pN1

pN 2

...pi1

pi2

...p11

p12

2

(II.2.1_2)

Donde:

p11

p12

2

=Z11

Z11 + Zm

2

(II.2.1_3)

m1112 ZZZ += (II.2.1_4)

θρ

=cos

c·Z11 (II.2.1_5)

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛θ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−π+θ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛πη= 4

2

c

42

cm ·sen

ff1·m·f··2·j·sen

ff·m·f··2·Z (II.2.1_6)

Las relaciones de presiones se pueden obtener a partir de las características de impedancia de

cada elemento los cuales se clasifican en capa impermeable, material absorbente acústico y

cámara de aire.

En el caso que se abarca en esta tesina, el estudio se realiza tanto para capas impermeables

simples como dobles, con la cámara de aire rellena de material absorbente acústico. A

continuación se detalla la formulación bajo la cual se justifican las diferentes partes de forma

individual para las soluciones estudiadas en el trabajo:

1.- Capa impermeable simple:

Según la teoría de Ookura & Saito [7], el coeficiente de transmisión para una

estructura simple (fig. 12), viene dada por cociente anteriormente citado (ecuación.

II.2.1_2) con la diferencia en el número de términos que influyen debido a se una capa

simple (ecuación. II.2.1_7):

2

12

11

2

i

12

2

i

11

2

i

t

pp

pp

pp

pp)( ⋅===θτ (II.2.1_7)


19

Fig. 12: Capa impermeable

2.- Capa impermeable doble con absorbente acústico en el interior:

La segunda configuración corresponde a la cámara de aire rellena de material

absorbente acústico, es decir, Placa – Absorbente acústico – Placa.

Fig. 13: Capa impermeable doble con absorbente en el interior

En este caso el coeficiente de transmisión para estructuras dobles con la cámara de

aire rellena de material absorbente queda como: 2

12

11

22

21

32

31

2

i

32

2

i

11

2

i

t

pp·

pp·

pp

pp

pp

pp)( ⋅===θτ (II.2.1_7)

20

En este cálculo aparece Lower London Frecuency, que es la frecuencia de

resonancia de esta estructura y la frecuencia límite cuando se introduce el material

absorbente acústico en la cámara de aire, y vienen dadas por las siguientes

expresiones:

abs21

21

d·m·mmm43LLf +

= (II.2.1_8)

abs21

21

l d·m·mmm

cos43ULf +θ

= (II.2.1_9)

fL =c0

2⋅ dcam

(II.2.1_10)

donde m1 y m2 son las densidades superficiales de cada una de las placas

impermeables, ρ0 la densidad del aire, c0 la velocidad del sonido y dabs la anchura de la

cámara de aire más el absorbente acústico.

De manera que si se introduce un material absorbente acústico a medida definido

por el usuario, se deberá caracterizar el material absorbente acústico mediante su

coeficiente de absorción o su resistencia al flujo por bandas, quedando las ecuaciones

anteriores como:

2

12

11

22

21

32

31

2

i

32

2

i

11

2

i

t

pp·

pp·

pp

pp

pp

pp)( ⋅===θτ (II.2.1_11)

con:

2

32

32

2

i

32

cosc·Z

Z·2pp

θρ

+= (II.2.1_12)

2

2m22

22

2

2m31

31

2

32

31

2

32

31

ZZZ

ZZZ

ZZ

pp

+=

+== (II.2.1_13)

( )

2

1abs1

1

2

22

21

d·qcoshcosh

pp

ϕ+ϕ

= (II.2.1_14)

2

1m11

11

2

12

11

ZZZ

pp

+= (II.2.1_15)


21

donde:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛γ

=ϕ01

1121 Z·

q·Zcotharc (II.2.1_16)

2m2232 ZZZ += (II.2.1_17)

)dqcoth(qZ·Z 1abs11

0122 ϕ+

γ= (II.2.1_18)

β+α=γ j1 (II.2.1_19)

θ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛γ

+γ= 22

111 ·senk1·q (II.2.1_20)

01 c

f··2k π= (II.2.1_21)

jXRZ0 += (II.2.1_22)

1m1112 ZZZ += (II.2.1_23)

θρ

=cos

c·Z11 (II.2.1_24)

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛θ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−π+θ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛πη= 4

2

1c1

42

1c111m ·sen


ff·m·f··2·Z

(II.2.1_25)

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛θ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−π+θ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛πη= 4

2

2c2

42

2c222m ·sen


ff·m·f··2·Z (II.2.1_26)

donde γ1 y Z0 se obtienen de las ecuaciones de una de las tres teorías de

caracterización de los materiales absorbentes acústicos, es decir, Delany & Bazley,

Miki o Allard & Champoux [8][9][10].

22

III.- DESARROLLO

III.1.- FÍSICA ACÚSTICA: ABSORCIÓN, IMPEDANCIA Y RESISTENCIA [1][2] Se realizan una serie de ensayos en laboratorio para determinar el coeficiente de absorción

acústica para los materiales insertándolos en el tubo de Kundt como ya se explicó en el apartado

II.1 bajo la norma UNE-EN ISO 10534-2:2002 y teniendo en cuenta todas las restricciones y

obligaciones que se han de cumplir en el montaje y corrección de los micrófonos y mediciones,

para el cálculo de la resistencia específica al flujo, con ello se obtuvieron los valores de la

función de transferencia para cada material y estos se transformaron en valores de absorción

acústica “α” y de impedancia acústica “Z”:

Mediante la siguiente expresión se calcula el coeficiente de reflexión en incidencia normal a

partir de los datos obtenidos de la función de transferencia:

r = (| r | e jφ r )rr + jri =H12 − H1

HR − H12

e2 jk0x1 (III.1_1)

Tras ello se determina el coeficiente de absorción acústica con la siguiente ecuación:

α =1− r 2 =1− rr2 − ri

2 (III.1._2)

Una vez obtenido, se extrae el valor de la impedancia acústica específica como:

Z /ρc0 = R /ρc0 + jX /ρc0 = (1+ r) /(1− r) (III.1_3)

En la figura 14, se puede observar una muestra de material de las utilizadas para la

caracterización en laboratorio.

Fig. 14: Muestra de familia 30% Fibra de Vidrio

En la figura 15 y 16, se puede observar el montaje utilizado para la determinación en

laboratorio del coeficiente de absorción acústica de los diferentes materiales con plenun vacío y

plenun relleno de material absorbente acústico.


23

Fig. 15 y 16: Muestra de familia 30% Fibra de Vidrio con plenum relleno de material y con plenun vacío.

En la tabla 1, se muestran algunos de los resultados obtenidos del coeficiente “α” para las

tres familias de materiales composite objeto de este trabajo, que permiten afirmar que los

composite estudiados presentan una absorción acústica prácticamente nula, con lo que se

engloban dentro de los materiales impermeables, pudiendo ser su uso similar al de las placas de

yeso laminado.

FAMILIA COMPOSICIÓN COEF. ABSORCIÓN

FV 30 30 % de Fibra de Vidrio

24

30 % de Fibra de Vidrio con cámara de aire de 11,5 cm.

30 % de Fibra de Vidrio con cámara de aire de 15,5 cm.

30 % de Fibra de Vidrio con cámara de aire de 15,5 cm. y

material absorbente acústico en el interior

30 % de Fibra de Vidrio mezclada mediante agente

acoplador

30 % de Fibra de Vidrio mezclada mediante agente

acoplador con cámara de aire de 15,5 cm. y material absorbente

acústico en el interior

30 % de Fibra de Poliéster

30 % de Fibra de Poliéster con agente acoplador

PM 30

30 % de Fibra de Poliéster con cámara de aire de 15,5 cm. y

absorbente acústico en el interior


25

30 % de Fibra de Poliéster con agente acoplador, cámara de aire

de 15,5 cm. y absorbente acústico en el interior

PP070 70 % de Polipropileno con

cámara de aire de 15,5 cm. y absorbente en el interior

Tabla 1: Comparativa del coeficiente de absorción acústico entre familias.

Con ello queda evidenciado que se trata de un material acústicamente impermeable, el cual

dispone de un alto grado de resistencia al flujo de aire y un grado mínimo de absorción acústica

para cualquiera de las configuraciones ensayadas.

Por lo tanto, a partir de este punto, se estudiará su comportamiento acústico desde el

concepto de elemento constructivo, para de esta manera, evaluar el grado de aislamiento

acústico de las diferentes configuraciones y la posibilidad de su uso como material perforado

con absorbente acústico en su interior, bajo la configuración de Resonador de Helmholtz, para

su posible uso como divisorio entre estancias virtuales dentro de una misma estancia (p.ej:

oficinas y despachos).

26

III.2.- FÍSICA MECÁNICA: MODULO DE YOUNG, POISSON Se determinaron mediante ensayos en laboratorio el módulo de Young para cada familia de

materiales. En la gráfica 4 podemos ver los resultados obtenidos en los ensayos llevados a cabo

en laboratorio.

3,3

4,44,9

6,3

4,5

5,9

7,4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

20 30 40 50% reinforcement

E t (G

Pa)

PMFV

Gráfica 4: Modulo de Young según % de refuerzo y tipo de familia

Con este dato y el espesor del material ensayado se obtuvo el módulo de Poisson para cada

familia.

Tras ello se realizó el estudio de optimización de la solución, en función de la frecuencia

crítica deseada y el espesor necesario u óptimo para la utilización de estas soluciones como

elemento aislante acústico para edificación.

En la tabla 2, se listan los resultados obtenidos:

FAMILIA COMPOSICIÓN MODULO DE YOUNG (E)

MÓDULO DE POISSON (B)

e (mm)

MASA (Kg./m2

)

FRECUENCIA CRÍTICA (Hz)

FV 20 20 % Fibra de Vidrio 4,5 GPa 1278,4 15 20,5 2371



PM 20 20 % Fibra de Poliéster 3,3 GPa 937,5 15 18 2595

PM 30 30 % Fibra de Poliéster 4,4 GPa 1250 15 18 2247



PP070 70 % Polipropileno 2,7 GPa 767,1 15 16 2704

Tabla 2: Comparativa de variables según familias.


27

III.3.- AISLAMIENTO ACÚSTICO Mediante el software de la EPSG-UPV Aisla 3.0 (una aplicación informática realizada para la

predicción del aislamiento acústico tomando como punto de partida el modelo de Ookura &

Saito [7]). Con esta teoría se puede programar cualquier tipo de estructura, del número de capas

que se desee, ya que trabaja tanto con placas o materiales impermeables, así como con cámaras

de aire y absorbentes acústicos. Además, tiene en cuenta la incidencia aleatoria. También debe

tenerse en cuenta que el método está muy estructurado, de manera que es relativamente fácil

escribir un algoritmo sin demasiados bucles anidados. En lo referido a modelos de

caracterización de materiales absorbentes acústicos, el programa da la opción de elegir entre 3

métodos de caracterización de estos materiales: el de Delany & Bazley, el de Miki o el de

Allard & Champoux [8][9][10]. Si se selecciona el método de Delany & Bazley o el de Miki

[8][9][10], en la pantalla y en el informe de resultados, aparecerá el ancho de banda que es

válido para esa determinada estructura, ya que, como se indicó en el capítulo 2, el rango de

validez de estos modelos está limitado.

Se incorporaron los datos obtenidos en laboratorio sobre las diferentes muestras de

materiales y con ello se determinó el aislamiento acústico de cada muestra ensayada para la

obtención de unos datos estadísticos de las muestras con los que se procedió a la determinación

de la regresión de dichos resultados.

La configuración utilizada para la realización de los cálculos de aislamiento acústico

mediante el software y los parámetros de integración utilizados, fueron:

Temperatura = 18 °C

Presión = 101300 Pa

Densidad del aire = 1.21 (Kg./m3)

Velocidad de propagación del aire = 342.4 (m/s)

Ángulo límite de incidencia = 78°

Paso de integración = 1000 (bajo método de los Rectángulos)

Factor de perdidas = 0,02 (según norma)

28

DIVISORIO SIMPLE A BASE DE PLACA SIMPLE:

Frecuencia FV 20 % FV 30 % FV 40 % PM 20 % PM 30 % PM 40 % PM 50 % PP 70 % PYL (15mm)50 13,1 13,1 13,1 12,1 12,1 12,1 12,1 11,2 9,763 15 15 15 13,9 13,9 13,9 13,9 13 11,480 16,9 16,9 16,9 15,8 15,8 15,8 15,8 14,8 13,2

100 18,8 18,8 18,8 17,7 17,7 17,7 17,7 16,7 15125 20,8 20,8 20,8 19,7 19,7 19,7 19,7 18,7 16,9160 22,7 22,7 22,7 21,6 21,6 21,6 21,6 20,6 18,9200 24,6 24,6 24,6 23,5 23,5 23,5 23,5 22,5 20,7250 26,6 26,6 26,6 25,5 25,5 25,5 25,5 24,5 22,7315 28,6 28,6 28,5 27,5 27,4 27,4 27,4 26,5 24,6400 30,5 30,5 30,4 29,4 29,4 29,4 29,3 28,4 26,6500 32,5 32,4 32,3 31,4 31,3 31,3 31,2 30,4 28,5630 34,3 34,2 34,1 33,3 33,2 33,1 33 32,3 30,3800 36,1 35,9 35,7 35,1 34,9 34,9 34,6 34,1 32,1

1000 37,7 37,4 37 36,8 36,5 36,4 35,9 35,8 33,61250 39,1 38,4 37,6 38,2 37,7 37,5 36,6 37,3 34,81600 39,8 38,4 36,3 39,3 38,2 37,6 35,6 38,5 35,22000 38,7 34,6 29,4 39,1 36,3 34,8 29,2 38,5 33,12500 31 27,3 29,3 35,1 26,5 25,7 28 35,8 23,53150 30,8 32,7 33,9 28,2 30,6 31,2 32,7 26,5 28,24000 35,6 36,9 37,8 33,6 35,1 35,5 36,6 32,1 32,65000 39,6 40,6 41,4 37,8 38,9 39,3 40,2 36,4 36,4

Rw(C;Ctr) 35(-2;-4;-2;-6) 34(-2;-3;-2;-5) 34(-2;-4;-2;-5) 34(-2;-4;-2;-6) 33(-2;-3;-1;-5) 33(-2;-3;-2;-5) 33(-2;-4;-2;-5) 33(-2;-4;-2;-6) 30(-2;-3;-1;-5)Rg (dBA) 32,9 31,8 31,7 32,1 30,9 30,6 30,8 31 28

R (dB)

Tabla 3: Resultados de aislamiento acústico obtenidos ordenados por familia y porcentaje de fibras

incorporadas al elemento base.

A continuación se grafican las soluciones de aislamiento acústico como placa única

impermeable en función del índice de porcentaje de fibras incorporadas al elemento base:

FV

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

100 1000 10000

Frecuencia

TL (d

B)

Gráfica 5: Comparativa para familia Fibra de Vidrio. En Azul refuerzo del 20%, en Rosa refuerzo del 30% y en punteado Negro 40%.


29

PM

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

100 1000 10000

Frecuencia

TL (d

B)

Gráfica 6: Comparativa para familia Fibra de Poliéster. En Azul refuerzo del 20%, en Rosa refuerzo del 30%, en punteado Rojo 40% y en punteado Negro 50%.

PP 70 %

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

100 1000 10000

Frecuencia

TL (d

B)

Gráfica 7: Comparativa para familia Polipropileno. En Azul refuerzo del 70%.

Comparando los resultados de las diferentes familias, solo para los casos de 20 % de

refuerzo (debido a ser las más eficientes), con el de una placa de yeso laminado de igual espesor

con una frecuencia crítica de 2211,9 Hz, se puede observar como mejora el aislamiento acústico

de dichas soluciones tipo composite:

30

COMPOSITE vs PYL

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

100 1000 10000

Frecuencia

TL (d

B)

Gráfica 8: Comparativa de placa simple para las diferentes familias de Composites frente a Placa de Yeso Laminado. En Rosa refuerzo de Fibra de Vidrio del 20%, en Azul Fibra de Poliéster del 20%, en línea

punteada Rosa Polipropileno 70% y en Rojo Placa de Yeso Laminada.

Se puede observar como cualquiera de las soluciones consistentes en tipos composites,

consiguen un aumento de entre 3 y 5 dBA, en función de la familia de composite utilizada.


31

DIVISORIO DOBLE A BASE DE PLACA SIMPLE Y DIVISORIO DOBLE A BASE DE

PLACA DOBLE:

Ahora tratemos de ver como se comportan estas soluciones cuando las incorporamos a una

solución de tabiquería doble con material absorbente acústico en su interior. Tomando las

diferentes soluciones utilizadas anteriormente con configuraciones tipo: 1 x placa impermeable

de 15 mm + lana de poliéster (RC) de 40 mm y 24,6 Kg/m3 + 1 x placa impermeable de 15 mm

y otra consistente en: 2 x placa impermeable de 15 mm + lana de poliéster (RC) de 40 mm y

24,6 Kg/m3 + 2 x placa impermeable de 15 mm, se obtienen los siguientes resultados:

Frecuencia

FV 20 % + RC + FV 20 %

2 x FV 20 % + RC + 2 x FV 20 %

PM 20 % + RC + PM 20 %

2 x PM 20 % + RC + 2 x PM 20

%

PP 70 % + RC + PP 70 %

2 x PP 70 % + RC + 2 x PP 70 % PYL + RC + PYL 2 x PYL + RC + 2

x PYL

50 15,5 15,8 14,9 16,4 14,3 16,5 13,1 16,363 14,9 11 14,8 10,1 14,5 11,8 13,7 14,380 10,5 24,6 12,1 20,6 13 16,7 13,3 9,9100 15,2 33,9 11,2 30,8 8,7 27,9 9,5 22,3125 25,8 41,3 22,4 38,6 19,3 36,1 13,5 31,5160 33,9 47,9 31 45,4 28,4 43,1 23,4 38,9200 40,6 53,8 38 51,4 35,5 49,2 31,1 45,2250 46,8 59,7 44,4 57,4 42,1 55,2 38 51,3315 52,8 65,4 50,4 63,1 48,2 61 44,2 57,2400 58,4 70,9 56,1 68,6 54 66,6 50 62,8500 63,8 76,3 61,6 74,1 59,5 72 55,5 68,2630 68,9 81,6 66,8 79,3 64,8 77,3 60,7 73,5800 73,7 86,6 71,7 84,5 69,8 82,5 65,5 78,51000 78,1 91,5 76,2 89,4 74,4 87,4 69,7 83,31250 81,6 95,9 80,1 94 78,3 92 72,8 87,61600 83,3 99,7 82,6 98 81,2 96,2 73,8 91,22000 81 101,9 82,2 100,7 81,4 99,1 69,3 932500 66,3 102,3 74,7 102,3 75,8 101 44,7 92,13150 56,7 95,7 52,8 99,1 49,9 99 50,7 81,54000 61,8 77,3 59 81,4 56,8 85,7 55 71,15000 63,5 81,6 60,7 79 58,6 76,7 57,2 74

Rw(C;Ctr) 51 (-8;-16;-10;-22) 66(-5;-13;-19;-33) 48(-9;-17;-9;-20) 64(-6;-14;-18;-32) 45(-8;-17;-8;-18) 61(-6;-14;-15;-29) 41(-6;-13;-5;-15) 56(-6;-14;-14;-27)Rg (dBA) 43,4 61 39,5 58,1 37 55,3 35,6 50,1

R (dB)

Tabla 4: Resultados de aislamiento acústico de tabiquería doble obtenidos ordenados por familia y porcentaje de fibras incorporadas al elemento base.

1 x COMPOSITE vs 1 x PYL

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 1000 10000Frecuencia

TL (d

B)

Gráfica 9: Comparativa para familia Composites frente a Placa de Yeso Laminado mediante 1 x placa

simple + material absorbente acústico + 1 x placa simple. En Azul refuerzo de Fibra de Vidrio del 20%, en línea discontinua Negra Fibra de Poliéster del 20%, en línea punteada Negra Polipropileno 70% y en

Rojo Placa de Yeso Laminada.

32

En este caso, se aprecia como la tendencia sigue siendo la misma, la solución tipo composite

presenta un comportamiento aislante acústico mejor que la placa de yeso laminado, siendo las

diferencia en este caso de entre 2 y 8 dBA de mejora.

Para el caso de realizar la misma comparativa mediante la utilización de doble placa

impermeable, se obtuvieron los siguientes resultados:

2 x COMPOSITES vs 2 x PYL

0

20

40

60

80

100

120

100 1000 10000Frecuencia

TL (d

B)

Gráfica 10: Comparativa para familia Composites frente a Placa de Yeso Laminado mediante 1 x placa simple + material absorbente acústico + 1 x placa simple. En Azul refuerzo de Fibra de Vidrio del 20%, en línea discontinua Negra Fibra de Poliéster del 20%, en línea punteada Negra Polipropileno 70% y en

Rojo Placa de Yeso Laminada.

Donde se observa una mejora considerable del aislamiento acústico para ambos tipos de

soluciones de tabiquería doble implementando los composites como capa impermeable frente a

los mismos realizados mediante placa de yeso laminado, entre 5 y 10 dBA de mejora.

DIVISORIO DOBLE DESINTONIZANDO LAS FRECUENCIAS CRÍTICAS:

Para tratar de conseguir mejores resultados, se ensayaron diferentes soluciones con variaciones

en el porcentaje de refuerzo de fibras, de manera que las frecuencias críticas de los materiales

no quedaran sintonizadas a la misma frecuencia.

Para ello se llegó a la conclusión de realizar el estudio solo para la familia de composite de

mayor poder aislante acústico y con las soluciones de diferencia de porcentaje de fibras más alta

posible para resintonizar la frecuencia crítica lo máximo posible. El estudio se realizó tanto para

divisorio simple mediante placa simple como para divisorio doble mediante placa doble,

siempre frente a la misma solución con placa de yeso laminado.


33

Frecuencia FV 40 + RC + FV 40

FV 20 % + RC + FV 40 %

FV 20 % + RC + FV 20 %

FV 40 % + RC + PYL PYL + RC + PYL 2 x FV 20 % + RC +

2 x PYL2 x FV 20 % + RC

+ 2 x FV 40 %2 x FV 20 % + RC

+ 2 x FV 20 %50 15,5 15,5 15,5 14,6 13,1 17 15,8 15,863 14,9 14,9 14,9 14,9 13,7 12,4 11 1180 10,5 10,5 10,5 13,5 13,3 17 24,6 24,6

100 15,2 15,2 15,2 9,2 9,5 28,2 33,9 33,9125 25,7 25,7 25,8 19,6 13,5 36,4 41,3 41,3160 33,8 33,9 33,9 28,6 23,4 43,4 47,9 47,9200 40,5 40,5 40,6 35,8 31,1 49,5 53,8 53,8250 46,8 46,8 46,8 42,4 38 55,5 59,7 59,7315 52,6 52,7 52,8 48,4 44,2 61,3 65,3 65,4400 58,2 58,3 58,4 54,1 50 66,8 70,9 70,9500 63,4 63,6 63,8 59,5 55,5 72,3 76,2 76,3630 68,3 68,6 68,9 64,5 60,7 77,5 81,4 81,6800 72,7 73,2 73,7 69,1 65,5 82,6 86,4 86,6

1000 76,2 77,1 78,1 72,9 69,7 87,4 91,1 91,51250 77,9 79,7 81,6 75,4 72,8 91,8 95,2 95,91600 75 79,1 83,3 74,3 73,8 95,4 98,4 99,72000 64,3 70,4 81 65,1 69,3 97,4 99,3 101,92500 53,5 71,5 66,3 65,4 44,7 97,2 95,4 102,33150 60,2 79,6 56,7 73,5 50,7 88,5 89,4 95,74000 62,9 83,3 61,8 77 55 80 95,1 77,35000 66,6 86 63,5 79,9 57,2 83,5 97,5 81,6

Rw(C;Ctr) 50(-7;-15;-9;-21) 51 (-8;-16;-10;-22) 51(-8;-16;-10;-22) 45(-8;-16;-7;-18) 41(-6;-13;-5;-15) 61 (-6;-14;-15;-28) 66(-5;-13;-19;-33) 66(-5;-13;-19;-33)Rg(dBA) 43,3 43,4 43,4 37,4 35,6 55,6 61 61

R(dB)

Tabla 5: Comparativa de resultados de aislamiento acústico de tabiquería doble obtenidos ordenados para la familia de refuerzo mediante fibra de vidrio, intercalando placas de diferente porcentaje de refuerzo de

fibras.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 1000 10000

Frecuencia

TL (d

B)

Gráfica 11: Comparativa para familia Composites de Fibra de Vidrio mediante 1 x placa simple +

material absorbente acústico + 1 x placa simple. En Azul, placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20% combinada con placa reforzada de Fibra de Vidrio del 40%, en Rosa, placa reforzada de Fibra de Vidrio

del 20% combinada con placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20% y en línea punteada Rosa, placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20% combinada con placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20%.

34

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 1000 10000

Frecuencia

TL (d

B)


material absorbente acústico + 1 x PYL. En Azul, placa reforzada de Fibra de Vidrio del 40% combinada con Placa de Yeso Laminado, en Rosa, Placa de Yeso Laminado combinada con Placa de Yeso

Laminado.

0

20

40

60

80

100

120

100 1000 10000

Frecuencia

TL (d

B)


material absorbente acústico + 2 x placa simple. En Azul, 2 x placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20% combinada con 2 x placa reforzada de Fibra de Vidrio del 40%, en Rosa, 2 x placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20% combinada con 2 x placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20% y en línea punteada Rosa,

2 x placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20% y 2 x Placa de Yeso Laminado.

Como se observa no se consigue mejora apreciable para las familias de composites, para las

soluciones con Placa de Yeso Laminado, si que se observan diferencias apreciables, pero

cualquier solución a base de placas tipo composite es más eficiente que las formadas por Placas

de Yeso Laminado.


35

DIVISORIO DOBLE A BASE DE PLACAS PERFORADAS:

Ahora veamos lo que sucede si estudiamos el comportamiento acústico de estos materiales si se

le realiza un porcentaje del 30 % de perforaciones de 1 cm. de diámetro. Este hecho cambia el

concepto de utilización, ya que abre la posibilidad a su uso como material absorbente acústico o

a una mezcla de ambos conceptos, mediante la suma de una cara absorbente acústico y otra

impermeable, que consentirá su uso en situaciones en las que se deseen dividir dos estancias

mediante una solución que aísle del ruido entre las estancias pero que a su vez provea a una de

ellas de un mecanismo que permita disminuir el tiempo de reverberación en la misma.

FrecuenciaFV 20 % (Perforado 30%)

+ RC + FV 20 %FV 20 % (Perforado 30%)

+ RC + 2 x FV 20 %PYL 20 % (Perforado

30%) + RC + PYL 20 %PYL 20 % (Perforado 30%)

+ RC + 2 x PYL 20 %

50 13,1 18,8 9,7 1563 15 20,8 11,4 1780 16,9 22,9 13,2 18,9100 18,9 24,9 15,1 21125 21 27 17,1 23160 23 29 19,1 25,1200 25 31 21,1 27250 27 33 23,1 29315 29 35 25 31400 30,8 36,8 26,8 32,8500 32,5 38,5 28,5 34,5630 34,1 40,2 30,1 36,2800 36,6 42,3 32,2 38,3

1000 39,3 45,3 35,2 41,21250 42,6 48,7 38,3 44,41600 45,5 51,5 40,8 46,82000 46,1 52,1 40 462500 38,4 44,4 27,5 33,23150 41,1 46,9 38,2 43,94000 46,8 52,6 43,1 48,65000 47,6 53,3 44,2 49,8

Rw(C;Ctr) 37(-2;-5;-1;-8) 43(-2;-5;-1;-8) 32(-2;-4;-1;-6) 38(-2;-4;-1;-7)Rg(dBA) 35,4 41,4 30,4 36,4

R(dB)

Tabla 6: Comparativa de resultados de aislamiento acústico de tabiquería doble obtenidos ordenados para

placas perforadas con índice de perforación del 30 %.

Aislamiento Placa Perforada + RC + Placa Impermeable

05

101520253035404550

100 1000 10000

Frecuencia

TL (d

B)

Gráfica 14: Comparativa para familia Composites de Fibra de Vidrio mediante 1 x placa simple perforada al 30% + material absorbente acústico + 1 x placa simple. En Azul, placa de Fibra de Vidrio del 20% con un índice de perforación del 30% y en Rosa, Placa de Yeso Laminado con un índice de perforación del

30%.

36

Aislamiento Placa Perforada + RC + 2 x Placa Impermeable

0

10

20

30

40

50

60

100 1000 10000

Frecuencia

TL (d

B)

Gráfica 15: Comparativa para familia Composites de Fibra de Vidrio mediante 2 x placa simple perforada al 30% + material absorbente acústico + 2 x placa simple. En Azul, placa de Fibra de Vidrio del 20% con un índice de perforación del 30% y en Rosa, Placa de Yeso Laminado con un índice de perforación del

30%.

Con los resultados obtenidos se puede afirmar que el sistema mejora el aislamiento acústico

conseguido con el mismo sistema de placa de yeso laminado en unos 5 o 6 dBA.

A su vez se puede extraer la mejora en la frecuencia crítica del sistema frente a la de la placa

de yeso laminado, ya que para este último sistema su frecuencia es más acusada que para el

sistema composite, presentando de esta manera una merma menor del aislamiento acústico a

dicha frecuencia.


37

III.4.- REGRESIÓN De los datos de las mediciones obtenidas por la empresa de Girona en conjunción con los datos

obtenidos de las mediciones llevadas a cabo por la EPSG-UPV, se extraerán gráficas de

comportamiento en aislamiento acústico en función del porcentaje de fibras incorporadas al

elemento base, con ello se obtendrán datos estadísticos los cuales permitirán la determinación

de una curva de regresión, esta curva describirá la tendencia del aislamiento acústico de dicho

material en función del porcentaje de fibras incorporadas y de ello se extraerá una fórmula

matemática que caracterice el comportamiento acústico del material en función del porcentaje

de fibras incorporadas al mismo.

FV Regresión Placa Simple

y = -1,7957Ln(x) + 38,17R2 = 0,882

31,4

31,6

31,8

32

32,2

32,4

32,6

32,8

33

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

% refuerzo

Rg (d

BA)

Gráfica 16: Curva de regresión para placa simple y familia Fibra de Vidrio.

PM Regresión Placa Simple

y = -1,4964Ln(x) + 36,337R2 = 0,7618

30,4

30,6

30,8

31

31,2

31,4

31,6

31,8

32

32,2

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

% refuerzo

Rg (d

BA)

Gráfica 17: Curva de regresión para placa simple y familia Fibra de Poliéster.

38

IV.- CONCLUSIONES Del estudio de los materiales de las 3 familias, se obtiene la conclusión de ser materiales sin

poder absorbente acústico, por lo que no se podrán usar como revestimientos interiores de

recintos, si no todo lo contrario ya que presentan una elevada resistencia al flujo, por lo tanto se

trata de materiales acústicamente impermeables. Debido a la frecuencia crítica que presentan,

para optimizar los materiales se determinaron como espesores óptimos para las placas un rango

de espesores entre 13 y 15 mm, similares a las placas utilizadas comercialmente en los sistemas

autoportantes, por lo que se podrían implementar mediante los mismos sistemas comerciales,

sin tener que recurrir a la fabricación de perfilería específica para su uso comercial.

Como se ve en los resultados, para las diferentes familias estudiadas, la regresión tiende a

disminuir el aislamiento acústico cuando se aumenta el porcentaje de fibra incorporada a la

solución base (este fenómeno es contrario a lo esperado, ya que a mayor porcentaje de fibra

mayor elasticidad presentará el material, pero ello también viene influenciado por la frecuencia

crítica obtenida según el porcentaje de concentración, lo cual nos indica que la frecuencia crítica

disminuye cuando aumenta el porcentaje de refuerzo de fibras y con ello empeora el índice de

aislamiento acústico, debido a que la frecuencia crítica está más próxima a los 500 Hz conforme

aumenta el porcentaje de refuerzo por fibras).

Al distinguir entre familias, vemos que existe una mejora en el índice de asilamiento, cuando

hablamos del compuesto por fibras de vidrio, este hecho se debe a que dicho material tiene una

masa mayor que el resto, lo cual por la ley de masas le incrementa de partida unos puntos el

índice de aislamiento acústico.

Desde el punto de estudio de utilizar variaciones de placas dentro del mismo divisorio, se

observa que la desintonización de las frecuencias críticas no aporta apenas mejora al índice de

aislamiento acústico tanto en combinación de placas de diferentes familias como en el caso de

combinación de placas de igual familia y diferente porcentaje de refuerzo.

De las soluciones analizadas para particiones dobles que incorporan paneles perforados por

una de sus caras, se extrae la conclusión de ser sistemas bastante óptimos si los comparamos

con los existentes en el mercado a base de Placas de Yeso Laminado. Este punto es bastante

interesante ya que permite la apertura de nuevas aplicaciones como puede ser la separación de

unidades de diferentes usos dentro de la misma vivienda, donde las exigencias de aislamiento

acústico no sean excesivamente elevadas y exista la necesidad de diseñar dos espacios

acústicamente diferentes, como podría ser el caso de separar una estancia en la que se necesiten

tiempos de reverberación bajos con otra que no disponga de esta necesidad.


39

A su vez queda abierta la posibilidad de su uso como pantallas acústicas tanto para el interior

de edificaciones como para su uso en ambiente exterior.

40

V.- FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Se deja abierta la última parte de la investigación mediante la cual se evalúa la posibilidad de

utilización de los elementos como placas perforadas, de manera que pudieran ser utilizadas

como pantallas acústicas tanto en interior de industrias u oficinas, como en ambientes

exteriores.

A su vez se deja abierta la posibilidad de estudio para el uso como bafles acústicos para el

acondicionamiento acústico de recintos especiales.


41

REFERENCIAS

[1]- UNE-EN ISO 10534-1:2002: Determinación del coeficiente de absorción acústica y de la

impedancia acústica en tubos de impedancia. Parte 1: Método del rango de onda estacionaria.

[2]- UNE-EN ISO 10534-2:2002: Determinación del coeficiente de absorción acústica y de la

impedancia acústica en tubos de impedancia. Parte 2: Método de la función de transferencia.

[3]- ASTM D3641 - 10 Standard Practice for Injection Molding Test Specimens of

Thermoplastic Molding and Extrusion Materials.

[4]- ASTM D618 - 08 Standard Practice for Conditioning Plastics for Testing.

[5]- ISO 527-5:1997; Plastics -- Determination of tensile properties -- Part 5: Test conditions for

unidirectional fibre-reinforced plastic composites.

[6]- ISO 178:2001 Plastics; Determination of flexural properties.

[7]- OOKURA K., SAITO Y. (1978). “Transmission loss of multiple panels containing sound

absorbing materials in a random incidence field”, Internoise 78, 637-642.

[8]- Delany M. E., Bazley E. N. (1970), Acoustical properties of fibrous absorbent

materials, Applied Acoustics, 3, 2, 105 -116.

[9]- Miki Y. (1990a), Acoustical properties of porous materials – modifications

of Delany-Bazley models-, Journal of the Acoustical Society Jpn (E), 11, 1,

19-24.

[10]- Allard J. F., Champoux Y. (1992). New empirical equations for sound

propagation in rigid frame fibrous materials, Journal of the Acoustical Society

of America 91, 6, 3346-3353.

[11]- Alba Fernández, J. Ramis Soriano, J. Comparativa de distintos algoritmos de simulación

de particiones multicapa para aislamiento acústico a ruido aéreo. Departamento de Física

Aplicada; Escuela Politécnica Superior de Gandia; Universidad Politécnica de Valencia. PACS:

44.55.Rg.

[12]- Blanes, M., Marco, B., Alba, J., del Rey, M., Escuder, E. Combinación de estructuras

sándwich con materiales poliméricos para la mejora de la absorción acústica. V Congreso

Ibérico de Acústica, XXXIX Congreso Español de Acústica TECNIACÚSTICA 2008,

Simposio Europeo de Acústica, Coimbra (Portugal), 20-22 Octubre 2008.

[13]- Alba Fernández, J.; Ramis Soriano, J.; Sanchís Rico, V. Coeficiente de absorción en

incidencia normal de materiales multicapa basados en lanas de poliéster. TecniAcústica,

Gandia, 2006.

42

[14]- Recuero López, M. Sistemas para aislamiento acústico, Brüel & Kjaer.

[15]- Alba Fernández, J.; Ramis Soriano, J., Llinares Galiana, J. Departamento de Física

Aplicada. Universidad Politécnica de Valencia. Escuela Politécnica Superior de Gandia.

Caracterización de capas impermeables a partir de medidas de aislamiento acústico. PACS:

43.55.n. Tecniacústica Madrid 2000.

[16]- Recuero Lopez, M. (1992) “Acústica arquitectónica –soluciones prácticas”, Editorial

Paraninfo.


43

ANEXO I function TL=capao(m,D,mu,frec,anglim,N) % TL=capao(m,D,mu,frec,anglim,N) % m=masa (Kg) % D=Densidad (Kg/m3) % mu=¿coeficiente de Poisson ó Perdidas? % frec=[50,] % anglim=89º (ángulo límite de incidencia) % N=pasos % General: Realiza cálculos generales y ajusta la integración c0=343; r0=1.21; paso=anglim/N; Angulo=[0:paso:anglim]*pi/180; w = 2.*pi.*frec; anglim*pi/180; Deno = sin(anglim*pi/180)^2 / 2; fc=c0^2*sqrt(m/D)/(2*pi) % Frecuencia critica % calculo: Barrido frecuencial for con1=1:length(frec) % barrido angular FrTL(con1) = 0; % acumulador for con2=1:length(Angulo) Zm=mu*w(con1)*m*(frec(con1)/fc).^2*(sin(Angulo(con2))^4)+j*w(con1)*m*(1-(frec(con1)/fc)^2*(sin(Angulo(con2))^4)); Z11=r0*c0/cos(Angulo(con2)); Z12=Z11+Zm; C01112=abs(Z11/Z12)^2; CO12I=4*abs(Z12/(Z12+Z11))^2; EcuacionImp = C01112*CO12I*cos(Angulo(con2))*sin(Angulo(con2)); FrTL(con1)= FrTL(con1) + EcuacionImp; end FrTL(con1) = (FrTL(con1)/Deno)*paso*pi/180; TL(con1) = -10*log10(FrTL(con1)); end figure(2) semilogx(frec,TL) texto=['TL segun Ookura & Saito. Capa impermeable. fc = ' num2str(fc) ' Hz']; title(texto) xlabel('f (Hz)') ylabel('TL (dB)') grid

composites con reciclados para la mejora del … · en el capítulo ii se exponen los fundamentos...

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